魏龍濤，楊建斌，范志劍

翅片寬度及厚度對管板式熱沉傳熱性能的影響

魏龍濤，楊建斌，范志劍

（蘭州空間技術(shù)物理研究所，蘭州 730000）

研究翅片寬度及厚度對管板式熱沉性能的影響。利用Ansys中的Fluent模塊，對管板式熱沉不同寬度和厚度翅片的傳熱性能進(jìn)行模擬仿真，分析翅片寬度和厚度對管板式熱沉溫度均勻性的影響。翅片越窄，熱沉溫度均勻性越好，且翅片平均溫度越接近載冷劑溫度。增加翅片厚度，可以強(qiáng)化傳熱，但熱沉質(zhì)量和制造成本也會上升，且增大到一定值時，傳熱效果增強(qiáng)不顯著。熱沉翅片的寬度和厚度對熱沉的溫度均勻性有很大的影響，翅片越厚，寬度越窄，熱沉的溫度均勻性越好，但不能一味采取增加厚度和減小寬度的方式來提高熱沉溫度均勻性，在設(shè)計熱沉?xí)r，需結(jié)合其他因素綜合選取翅片的寬度和厚度。

管板式熱沉；翅片寬度；翅片厚度；數(shù)值模擬；傳熱性能

熱沉是空間環(huán)境模擬器中用來模擬“冷黑”環(huán)境的重要分系統(tǒng)，熱沉的性能直接影響著空間環(huán)境模擬試驗的結(jié)果。目前常見的熱沉主要有管板式熱沉（也叫魚骨式熱沉）和板式熱沉兩種。管板式熱沉是在不銹鋼管上焊接銅翅片來增大換熱面積，通過熱傳導(dǎo)的形式將翅片上的輻射熱與循環(huán)工質(zhì)進(jìn)行熱交換[1-4]。管板式熱沉的缺點在于熱沉溫度均勻性不易控制[5]。影響熱沉性能的因素有很多，王龍龍等人[6]介紹了熱沉主管、支管管徑、支管間距等結(jié)構(gòu)因素對氣氮熱沉流場的均勻性影響。趙晶輝等人[7]研究了板式熱沉中壁板間距、氮氣壓力和流速對流體分布的影響。袁修干等人[8]提出了改進(jìn)管板式熱沉溫度均勻性的理論計算和工程設(shè)計方法。張磊等人[9-10]研究了液氮流速、流道深度、流道間距以及進(jìn)出口方式對板式熱沉換熱性能的影響。

文中利用Fluent軟件對管板式熱沉翅片的寬度和厚度進(jìn)行仿真計算，得到了翅片上的溫度分布情況，對翅片上的最大溫差和平均溫度進(jìn)行了分析，為熱沉設(shè)計中翅片寬度和厚度的選擇提供參考。

1 熱沉結(jié)構(gòu)

1.1 幾何模型

國內(nèi)已有的熱真空試驗設(shè)備中，熱沉多為紫銅結(jié)構(gòu)、鋁結(jié)構(gòu)或不銹鋼-紫銅翅片結(jié)構(gòu)。經(jīng)過長期使用，得出了一些經(jīng)驗：鋁材耐腐蝕性不好，而紫銅材料焊接困難，焊縫處容易產(chǎn)生真空泄露，導(dǎo)致熱沉失效，降低使用壽命和可靠性。不銹鋼-銅翅片熱沉克服了上述熱沉缺陷，且性能優(yōu)良，現(xiàn)多數(shù)熱真空試驗設(shè)備中的熱沉都采用不銹鋼-銅翅片熱沉[11]。故本次模擬的管板式熱沉也為不銹鋼-銅翅片熱沉。

管板式熱沉一般為對稱結(jié)構(gòu)，由上匯總管、下匯總管、支管、翅片等組成。翅片對稱焊接在支管上，支管等間距分布。由于對整個熱沉進(jìn)行模擬的計算量過大，故本次模擬只對熱沉的半個翅片進(jìn)行分析。熱沉翅片幾何結(jié)構(gòu)單元如圖1所示，銅翅片成一定弧度焊接在不銹鋼支管上，熱沉直徑為600 mm。

圖1 熱沉翅片結(jié)構(gòu)

1.2 幾何參數(shù)

本次仿真主要研究熱沉翅片寬度及厚度對熱沉性能的影響，選取的不同翅片寬度和厚度參數(shù)，見表1。

表1 熱沉翅片幾何參數(shù)

2 仿真模擬

利用有限元分析的方法對熱沉翅片進(jìn)行模擬計算，得到了不同寬度及厚度時，翅片上的溫度分布，并對翅片上的最大溫差及平均溫度進(jìn)行了分析。

2.1 計算工況及仿真

使用Ansys自帶的Mesh對幾何模型進(jìn)行劃分，然后導(dǎo)入Fluent進(jìn)行計算。載冷劑選擇導(dǎo)熱液，入口方式選擇速度入口，速度設(shè)為3 m/s，溫度設(shè)為323 K，出口設(shè)定為自由出口。壁面邊界條件設(shè)為輻射換熱，溫度設(shè)為273 K，發(fā)射率設(shè)定為0.93，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)-模型。

2.2 仿真結(jié)果

2.2.1 不同翅片寬度

圖2 不同寬度的翅片溫度分布

2.2.2 不同翅片厚度

圖3 不同寬度的翅片最大溫差

圖4 不同寬度翅片的平均溫度

圖5 不同厚度的翅片溫度分布

圖6 不同厚度翅片上的最大溫差

圖7 不同厚度翅片上的平均溫度

2.2.3 不同尺寸設(shè)備

翅片寬度為60 mm，翅片厚度為1.5 mm，熱沉直徑分別為600、1200 mm時，翅片上的溫度分布如圖8所示。

圖8 不同尺寸設(shè)備的翅片溫度分布

3 結(jié)果分析

3.1 翅片寬度

由圖3可以看出，隨著翅片寬度的增加，熱沉的溫度均勻性越來越差。翅片厚度恒定為1 mm，翅片寬度為40、60、80、100 mm時，熱沉翅片上的最大溫差分別為1.17、2.44、4.06、5.95 K。翅片寬度的選取對熱沉的溫度均勻性有很大影響。這是因為當(dāng)橫截面積一定時，翅片的熱阻與寬度成正比關(guān)系，熱阻隨寬度的增加而增加，傳熱惡化。由圖4可知，翅片寬度越小，翅片表面的平均溫度越接近導(dǎo)熱液的溫度，能量損失越小。隨著翅片寬度的減小，對應(yīng)的支管間距也會減小，由王龍龍等人[6]對不同熱沉主管、支管管徑，以及不同支管間距時的熱沉壓力場流場的研究可知，當(dāng)支管間距減小時，流場中的速度不均勻度會增大，不利于熱沉溫度穩(wěn)定。因此，不能采取一味減小翅片寬度的方式來強(qiáng)化傳熱，取60~80 mm之間的翅片寬度比較合理。

3.2 翅片厚度

由圖6可以看出，增加翅片厚度有利于強(qiáng)化熱沉傳熱。翅片寬度恒定為60 mm，翅片厚度為1、1.5、2、2.5 mm時，翅片上的最大溫差分別為2.44、1.70、1.32、1.09 K。翅片厚度由1 mm增加為1.5 mm時，溫差減小幅度最大。當(dāng)翅片厚度由2 mm增加為2.5 mm時，溫差僅減小0.23 K。由圖7可以看出，隨著翅片厚度的增加，翅片表面上的平均溫度也越來越接近導(dǎo)熱液的溫度，但趨勢越來越小。增加翅片厚度可以強(qiáng)化傳熱，提高熱沉的溫度均勻性，但隨著翅片厚度增加，熱沉的質(zhì)量會增加，成本也會上升，使得熱沉制造費用昂貴。在設(shè)計熱沉?xí)r，翅片厚度建議選擇1.5~2 mm比較合適。

3.3 不同尺寸設(shè)備

由圖8得出，相同翅片寬度、厚度時，直徑為600 mm的熱沉翅片上的最大溫差為1.70 K，平均溫度為319.77 K；直徑為1200 mm的熱沉翅片上的最大溫差為1.77 K，平均溫度為319.56 K?？梢钥闯?，在翅片取相同參數(shù)時，隨著熱沉尺寸的增加，翅片上的溫度稍微有所下降。這是因為隨著熱沉尺寸的增加，支管的長度也會增加，熱損失和壓力損失會增加。在實際工程中，對尺寸較大的熱沉，也會采取增大支管管徑的方式來提高熱沉溫度均勻性。隨著支管管徑增大，支管間距也會增大，相應(yīng)的翅片寬度會變大，但對任意大小的熱沉都可以采用相對減小翅片寬度和增加翅片厚度的方式來提高熱沉溫度均勻性。

4 結(jié)論

影響熱沉傳熱性能的因素有很多，除了翅片寬度與厚度的影響外，主管、支管管徑比，支管間距以及載冷劑流速等都會對熱沉的溫度分布產(chǎn)生影響，這些因素對熱沉的影響可以參考文獻(xiàn)[6]。在設(shè)計熱沉?xí)r，如果選擇的參數(shù)比較合理，不僅可以提高熱沉的性能，而且可以減小能量損失和熱沉制造成本。本次數(shù)值模擬結(jié)果表明，管板式熱沉的翅片寬度和厚度對熱沉的性能有很大的影響，減小翅片寬度，增加翅片厚度，可以強(qiáng)化翅片傳熱，合理地選擇翅片的寬度和厚度可以很大程度地提高熱沉的溫度均勻性。根據(jù)本次的模擬優(yōu)化結(jié)果，可以通過減小熱沉翅片寬度或增加翅片厚度的方式來提高熱沉的溫度均勻性。在實際設(shè)計時，需結(jié)合實際經(jīng)驗以及熱沉設(shè)計要求的溫度均勻性和設(shè)備尺寸來選擇相應(yīng)的翅片寬度和厚度。文中的熱沉翅片最優(yōu)結(jié)果應(yīng)取寬度為60 mm，厚度為2 mm。

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The Effects of Fin Width and Thickness on Heat Transfer Performance of Tube-sheet Heat Sink

WEI Long-tao, YANG Jian-bin, FAN Zhi-jian

(Lanzhou Institute of Physics, Lanzhou 730000, China)

To Sstudy the effects of fin width and thickness on the performance of tube-plate heat sink.Fluent module in Ansys was used to simulate the heat transfer performance of tube-plate heat sink fin with different width and thickness of tube-plate heat sink fin, and analyze the effects of fin width and thickness on the temperature uniformity of tube-plate heat sink were analyzed.It shows that tThe narrower the fin, the better the temperature uniformity of heat sink, and the closer the average temperature of the fin wais to the temperature of the coolant.. Increasing the fin thickness can enhance heat transfer, but increase the heat sink weight and manufacturing cost will also increase, and . When it is was increased to a certain value, the heat transfer effect would not beis not enhanced significantly.The width and thickness of the heat sink fin have a great influences on the temperature uniformity of the heat sink. The thicker the fin, the narrower the width, and the better the temperature uniformity of the heat sink. However, the uniformity of heat sink temperature cannot be improved by simply increasing the thinchnessthickness and reducing the width. When designing the heat sink, it is necessary to combine the other factors to select the fin width and thickness.

tubetube-plate heat sink; fin width; fin thickness; numerical simulation; heat transfer performance

10.7643/ issn.1672-9242.2019.09.015

V267

A

1672-9242(2019)09-0084-04

2019-03-04；

2019-04-17

魏龍濤（1994—），男，陜西人，碩士研究生，主要研究方向為空間環(huán)境模擬試驗設(shè)備。

楊建斌（1966—），男，甘肅人，碩士，研究員，主要研究方向為低溫技術(shù)及空間環(huán)境模擬試驗設(shè)備。